CN100361341C - 堆叠型燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种由平面式燃料电池组组合成的堆叠型燃料电池组，其利用流体燃料经电学反应产生电能，包括多个平面型燃料电池组，其中具有：两个燃料电池单元；流道板，设于该两燃料电池单元之间；以及卡合组件，包含第一部分与第二部分，分别设于两个燃料电池单元外侧和具有多个开口；其中，该第一部分与该第二部分相对称且互相组合，使多个平面型燃料电池组利用卡合组件而组合成堆叠型燃料电池组，且于两两平面型燃料电池组之间形成气流通道，使燃料电池单元利用卡合组件的开口而与外部空气接触反应以产生电能。卡合组件设计有数种变化，可配合***要求而结合导风管与风扇、鼓风机或空气泵等组件，达到弹性、便利及易于制造与组装的特点。

Description

堆叠型燃料电池组
技术领域
本发明涉及一种燃料电池组(Fuel cell assembly)，尤指一种堆叠型燃料电池组。
背景技术
近年来燃料电池技术的发展备受瞩目，无论是学术上的基础研究或者是商品化的应用开发均有长足的进步。燃料电池(Fuel cell)是一种利用电化学的方式，将燃料中的化学能不经过燃烧，而直接转换为电能的发电装置。与传统发电方式比较，燃料电池具有低污染、低噪音、高能量密度以及高能量转换效率等优点，是极具前瞻性的干净能源，可应用的范围包括可携式电子产品、家用或厂用发电统、运输工具、军用设备、太空工业以及大型发电***等各领域。
目前发展中的燃料电池依电解质的不同，可将其区分为碱液型燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固态氧化物型燃料电池(SOFC)及质子交换膜型燃料电池(PEMFC)等。然而，燃料电池的运作原理依种类的不同会有些许差异，以属于质子交换膜型燃料电池的直接甲醇燃料电池(DMFC)为例，甲醇水溶液在燃料电池的阳极触媒层进行氧化反应，产生氢离子(H+)、电子(e-)及二氧化碳(CO2)，其中氢离子(H+)可以经由质子交换膜传递至阴极，电子(e-)可经由外部电路传输至负载做功之后再传递至阴极，而供给至阴极的氧气(O2)会与氢离子(H+)及电子(e-)于阴极触媒层进行还原反应并产生水。
每个燃料电池的单电池(single cell)所能提供的电压不大，例如在直接甲醇燃料电池的单电池于最大功率反应时其电压通常为0.4V左右，所以在应用时通常会串联多个单电池，以形成一个燃料电池组(Fuel cell assembly)，达到电子产品所需的操作电压。目前燃料电池单元串联成燃料电池组的方式主要可区分为堆叠型(stacked)与平面型(planar)两种。其中，堆叠型燃料电池组10的主要结构如图1所示，其包括至少二个由阳极触媒电极111、质子交换膜112及阴极触媒电极113所组合而成的膜电极组11(Membrane-Electrode-Assembly，MEA)，以及作为个别电极组串联的双极板12(bipolar plate)和两电极板13，14。其中，触媒电极包含提升电化学反应效率的纳米级触媒以及可大幅增加反应面积与质传的多孔性高导电性材质，如气体扩散层等。此外，双极板12的功能除用作燃料电池单元串联连接外，也可设计流道121作为燃料或氧气的供应通道。另外，图2为目前平面型燃料电池组的结构示意图。目前的平面型燃料电池组20包括一膜电极组结构支撑框架21、多个膜电极组22及二个电极板23，24，其中每个膜电极组22同样由阳极触媒电极、质子交换膜和阴极触媒电极所组合而成(未图示)。于传统的平面型燃料电池组20中，膜电极组结构支撑框架21具有多个通口211，每一通口211内设置一对应的膜电极组22。膜电极组结构支撑框架21的一侧边另设置两个电流集结板(current collector)212，以作为平面型燃料电池组20的电流输出端。二个电极板23，24内侧也可设计流道231，以作为燃料或氧气的供应通道。
然而，由于目前的堆叠型燃料电池组结构复杂、不易组装、也不易大量生产，再加上，如要能够提供相当的电压量，所串联起来的燃料电池组的体积想必是非常庞大，而且组装后的燃料电池组重量、厚度也无法进一步薄化，因此急需改进。另外，目前的平面型燃料电池组20需要利用重量较重的膜电极组结构支撑框架21来固定膜电极组22，而且需将膜电极组22对位至膜电极组结构支撑框架21的通口211内，因此传统的燃料电池组不只结构复杂、组装不易且无法大量生产，而且也有重量重及无法进一步薄化的问题，不利于可携式电子产品的应用，实在是不符合现代电子产品轻薄短小发展的趋势。
有鉴于前述问题，实在是需要发展一种重量轻、结构简单、便于组装且提供较多电压的燃料电池组，以利于燃料电池技术的***。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由简单结构的平面型燃料电池组通过卡合组件所堆叠出来的堆叠型燃料电池组，以利大量生产结构简单、容易组装、以及提供大量电压的燃料电池组。
为达到上述目的，本发明的一较广义实施样态为提供一种堆叠型燃料电池组，其利用流体燃料经电化学反应后产生电能。该堆叠型燃料电池组包括：多个平面型燃料电池组，其包含：两个燃料电池单元；一流道板，其设于该两个燃料电池单元之间；以及一卡合组件，其包含一第一部分与一第二部分，且分别设于该二燃料电池单元的外侧，并具有多个开口；其中，该卡合组件的该第一部分与该第二部分相对称且得以互相组合，使该多个平面型燃料电池组得以利用该卡合组件而组合成堆叠型燃料电池组，且于两两平面型燃料电池组之间形成气流通道，以使该燃料电池单元得以利用该卡合组件的开口而与外部空气接触进行反应以产生该电能。
根据本发明的构想，其中每一该燃料电池单元具有一网状金属导板与一膜电极组，该网状金属导板具有一第一网状区域与一第二网状区域，该膜电极组设置于该第二网状区域上。
根据本发明的构想，其中该网状金属导板由金属片冲压制成或由编织的金属网制成。
根据本发明的构想，其中该膜电极组由阳极触媒电极、质子交换膜和阴极触媒电极所组合而成。
根据本发明的构想，其中每一该燃料电池单元的该膜电极组设置于该网状金属导板的该第二网状区域上，使该膜电极组的一第一表面与该第二网状区域的一第一表面接触。
根据本发明的构想，其中该流道板具有一流体燃料入口与一流道，该流体燃料入口与该流道相通，以导入该流体燃料。
根据本发明的构想，其中该堆叠型燃料电池组还包含一风扇。
根据本发明的构想，其中该堆叠型燃料电池组还包含一鼓风机或空气泵以及多个导风管，用以提供所需空气，以及利用该多个导风管控制空气流动的方向，以使空气得以通过实质上全部气流通道。
根据本发明的构想，其中该卡合组件的该第一部分与该第二部分包含卡勾片。
根据本发明的构想，其中该卡合组件的该第一部分与该第二部分为凹槽，且该卡合组件还包含一栓条，以利用该栓条与该两个凹槽的配合来卡合两两平面型燃料电池组。
根据本发明之构想，其中该流道板由塑料材质一体成型制成。
根据本发明之构想，其中该凹槽中具有孔洞，而该栓条上具有栓棒，以利用该凹槽中的孔洞与该栓条上的栓棒将二平面型燃料电池组卡合。
根据本发明之构想，其中还包含一联接模块，其设于该堆叠型燃料电池的底部，以将堆叠型燃料电池组所产生的电能联接起来。
根据本发明之构想，其中该联接模块还包含第一部分与第二部分，该第一部分设于二平面型燃料电池组之间的该气流通道下方，而第二部分则设于该平面型燃料电池组下方。
根据本发明之构想，其中该第一部分具有凸块，而该第二部分具有相对应的凹孔。
附图说明
图1为目前堆叠型燃料电池组的结构示意图。
图2为目前平面型燃料电池组的结构示意图。
图3(A)为本发明堆叠型燃料电池组的平面型燃料电池组结构分解图。
图3(B)为本发明堆叠型燃料电池组的平面型燃料电池组组合示意图。
图4(A)为显示本发明的燃料电池单元的示意图。
图4(B)为显示本发明的平面型燃料电池组的示意图。
图5为本发明的堆叠型燃料电池组的第一较佳实施例示意图。
图6为本发明的堆叠型燃料电池组的第二较佳实施例示意图。
图7为本发明的堆叠型燃料电池组的第三较佳实施例示意图。
图8为本发明的堆叠型燃料电池组的第四较佳实施例示意图。
图9(A)为本发明的堆叠型燃料电池组的第五较佳实施例结构分解图。
图9(B)为本发明的堆叠型燃料电池组的第五较佳实施例组合示意图。
图10为本发明的堆叠型燃料电池组与联接模块的结构***图。
图11(A)为本发明的堆叠型燃料电池组的联接模块的第一较佳实施例示意图。
图11(B)为本发明的堆叠型燃料电池组的联接模块的第二较佳实施例示意图。
图11(C)为本发明的堆叠型燃料电池组的联接模块的第三较佳实施例示意图。
10堆叠型燃料电池组    111阳极触媒电极   112质子交换膜
113阴极触媒电极       11膜电极组        12双极板
13、14电极板          121流道           20平面型燃料电池组
21膜电极组结构支撑框架                  22膜电极组
23、24电极板          211通口           212电流集结板
231流道               3平面型燃料电池组 31燃料电池单元
32流道板              33卡合组件
331卡合组件之第一部分 332卡合组件之第二部分
333开                 334卡勾片         321流体燃料入口
322流道               41燃料电池单元    42流道板
411网状金属导板       412膜电极组       4111第一网状区域
4112第二网状区域      d阶差             4121第一表面
41 121第一表面        421流道           422流体燃料入口
51气流通道            52风扇            5堆叠型燃料电池组
61长条型栓条          62孔洞            63栓棒
71气流通道            72鼓风机          73导风管
80联接模块            81第一联接部分    82第二联接部分
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段说明中详细叙述。应理解的是，本发明能够在不同态样上具有各种变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图标记在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。
请参阅图3(A)与(B)，其中图3(A)为本发明的堆叠型燃料电池组的平面型燃料电池组的结构分解图，而图3(B)为本发明的堆叠型燃料电池组的平面型燃料电池组的组合示意图。如图3(A)所示，其中本发明的堆叠型燃料电池组的平面型燃料电池组3主要包含两个燃料电池单元(Fuel cell unit)31、一流道板32以及一卡合组件33，其中该流道板32设于该两个燃料电池单元31之间，而卡合组件33则包含一第一部分331与一第二部分332，其分别设于该两个燃料电池单元31的外侧，并且具有数个开口333，以使燃料电池单元31得以透过开口333与外部空气接触，另外，该卡合组件的第一部分331与卡合组件的第二部分332的外侧具有卡勾片334，该卡勾片334以互相对称的方式设计，以让一个接着一个的平面型燃料电池组(未图示)得以互相卡合，以组合成堆叠型燃料电池组。此外，流道板32具有一流体燃料入口321与一流道322，该流体燃料入口321与该流道322相通，以将流体燃料导入平面型燃料电池组3内。
于实施例中，本发明的平面型燃料电池组可使用传统的平面型燃料电池组结构，但不以此为限，其它目前已发明或即将发明的平面型燃料电池组结构也可并入参考。一示范性平面型燃料电池组的燃料电池单元显示于图4(A)与图4(B)，其分别为燃料电池单元的示意图以及平面型燃料电池组的示意图。其中平面型燃料电池组由多个燃料电池单元串接而成，而每一个燃料电池单元41由一网状金属导板411与一膜电极组412所构成，网状金属导板411包括第一网状区域4111与第二网状区域4112，其分别位于不同的水平面上，两者之间还形成一阶差d，而膜电极组412则设置于第二网状区域4112上，且膜电极组412的第一表面4121与第二网状区域4112的第一表面41121接触。平面型燃料电池组的运作原理简述如下：以属于质子交换膜型燃料电池的直接甲醇燃料电池(DMFC)为例，当供料装置内的甲醇水溶液经由平面型燃料电池组之流道板42之流体燃料入口422导入流道421后，在平面型燃料电池组的各膜电极组的阳极触媒层上会进行氧化反应，以产生氢离子(H+)、电子(e-)及二氧化碳(CO2)，其中氢离子(H+)可以经由质子交换膜传递至阴极，电子(e-)可经由网状金属导板传递至输出端后提供至印刷电路板总成，并于传输至负载做功之后再传递至阴极，而供给至阴极侧的空气或氧气(O2)会与氢离子(H+)及电子(e-)透过网状金属导板的网格而于膜电极组的阴极触媒层上进行还原反应并产生水。
请参阅图5，其为本发明的堆叠型燃料电池组的第一较佳实施例的示意图。如图5所示，其中每一平面型燃料电池组如图3(B)所示，且每一平面型燃料电池组利用卡合组件的第一部分331与另一相邻的平面型燃料电池组的卡合组件的第二部分332互相卡合，而使得数个平面型燃料电池组得以组合起来，其中，由于卡合组件33需设于每两两平面型燃料电池组之间，因此平面型燃料电池组之间会形成气流通道51，如此一来，便可让空气通过该气流通道51，而燃料电池单元31也可通过开口333与空气接触而进行反应产生电能。当然，本发明的堆叠型燃料电池组5还可于侧面处加设一风扇52，以通过风扇52提供大量空气给堆叠型燃料电池组5，就会有更多空气与燃料电池单元31互相接触，而燃料电池单元31所能反应产生的电能也会增加。另外，本发明的平面型燃料电池组所具有的卡合组件可有许多不同的变化。请参阅图6，其为本发明的堆叠型燃料电池组的第二较佳实施例的示意图。如图6所示，于此实施例中，卡合组件的第一部分331与卡合组件的第二部分332皆具有数个由上向下排列的长条状凹槽，且除此之外，卡合组件还包含有一长条型栓条61，其设于该第一部分33 1与该第二部分332之间，且可将该卡合组件的第一部分331与卡合组件的第二部分332互相卡合，如此一来，平面型燃料电池组也可由此稳固地连接起来。此外，本发明的技术进一步还可缩小整个堆叠型燃料电池组所占的体积，请参阅图7，其为本发明的堆叠型燃料电池组的第三较佳实施例示意图，其中明显可知，卡合组件的第一部分331与卡合组件的第二部分332所占宽度可缩短，甚至是将所具有的凹槽设在卡合组件的第一部分331与卡合组件的第二部分332的表面上，如此便可缩小两两平面型燃料电池组之间的距离，而使得整组堆叠型燃料电池组5所占体积相对缩小。再请参阅图8，其为本发明的堆叠型燃料电池组的第四较佳实施例示意图，其中长条型栓条61与卡合组件的第一部分331与第二部分332之间还可利用孔洞62配合栓棒63的方式，使得平面型燃料电池组的卡合组件的第一部分331与长条型栓条61扣合在一起，而更紧密地使得平面型燃料电池组组装结合。
另外，协助提供外部空气的设备也可改由其它装置来代替。请同时参阅图9(A)与(B)，其中图9(A)为本发明的堆叠型燃料电池组的第五较佳实施例的结构分解图，而图9(B)为本发明的堆叠型燃料电池组的第五较佳实施例的组合示意图。如图所示，由于本发明的堆叠型燃料电池组于同一侧面上卡合组件的第一部分331与卡合组件的第二部分332上的卡勾片334(或是图6所示的凹槽与栓条)通常会有好几组，因此，当平面型燃料电池组组合起来以后，两个平面型燃料电池组之间的气流通道71会被分为好几阶层，为了使得外部空气可以完全通过所有阶层的气流通道71，可利用鼓风机72或空气泵(未图示)与多个导风管73配合，使得更多空气可经由导风管73来控制流动的方向，并于气流通道71中以固定方向流动，以充分的通过所有气流信道71，使堆叠型燃料电池组达到最佳反应效果，而尽可能产生最大电能。
当然，于本发明的任何实施例中，凹槽、栓条或是其它任何卡合组件的形状、大小、数量并无特别限制，只要是可稳固配合以组合成堆叠型燃料电池组皆可。此外，流道板的大小也无限定，主要是要配合平面型燃料电池组大小，各种材质及制程方式皆都可适用，但以塑料材质一体成型制成为佳。
进一步地，本发明的堆叠型燃料电池组还可包含一联接模块，并控制联接模块内部线路方向来将平面型燃料电池组所产生的电能以串联或并联的方式组合起来。请参阅图10，其为本发明的堆叠型燃料电池组与联接模块的结构***图。如图10所示，其中联接模块80设于堆叠型燃料电池组的底部(当然顶部也可)，该联接模块80包含第一联接部分81与第二联接部分82，其中该第一联接部分81设于两两平面型燃料电池组之间的气流通道51下方，且于侧边设有凸块，而第二联接部分82则是设于平面型燃料电池组下方，且设有与该凸块相对应的凹孔，由此该联接模块80的第一联接部分81与第二联接部分82便可结合组装起来。而且更重要的，堆叠型燃料电池组便可因而以串联或并联的方式组合起来。请参阅图11(A)、(B)与(C)，其中图11(A)为本发明的堆叠型燃料电池组的联接模块的第一较佳实施例示意图，图11(B)为本发明的堆叠型燃料电池组的联接模块的第二较佳实施例示意图，而图11(C)为本发明的堆叠型燃料电池组的联接模块的第三较佳实施例示意图。如图11(A)所示，其中联接模块80的第一联接部分81与第二联接部分82内部的线路排列以串联方式完成，且将第一联接部分81与第二联接部分82内部的电路由负极导向正极，再使第一联接部分81与第二联接部分82以交互方向的排列，配合每一平面型燃料电池组极性的位置，将堆叠型平面燃料电池组中的各个平面型燃料电池组以串联方式组装起来。当然，如图11(B)所示联接方式也可应用于本发明，于此实施例中，不但可将平面型燃料电池组以并联方式组装起来，而且于联接模块80的第一联接部分81与第二联接部分82内部的线路排列方式可完全相同，并于联接模块80的第一联接部分81与第二联接部分82单侧边设置凸块，另一相对侧边设置凹槽，使得联接模块80的第一联接部分81与第二联接部分82完全相同，如此一来，就只要将联接模块80的第一联接部分81与第二联接部分82一个接一个地拼凑起来，便可完成串联的堆叠型燃料电池组，而不需要担心电池极性可能发生连接错误的情况，更进一步，还可单纯化制造过程，而使得成本降低。另外以并联方式以可参考，如同图11(C)所示，其中联接模块80的第一联接部分81与第二联接部分82，在内部线路的极性排列与结构完全相同，均将正极与负极分别统一放在同一侧边，以使得本发明的堆叠型燃料电池组以串联方式组装结合起来。
总结来说，本发明提供一种堆叠型燃料电池组，其通过卡合组件来连接起多个平面型燃料电池组，并使得平面型燃料电池组之间形成气流通道，以供空气流过，而使平面型燃料电池组中的燃料电池单元与空气发生反应而产生电能，再加上风扇或是鼓风机的协助，让空气可以充分流过所有气流通道，以增加空气或氧气压力，提升阴极侧的反应，并使得堆叠型燃料电池组可轻松完成组装以及提供最大电能。当然，由附图中可清楚知道，本发明的堆叠型燃料电池组中的平面型燃料电池组不但已经串联或并联起多个燃料电池单元，而且通过本发明的卡合组件，本发明的堆叠型燃料电池组可于左右、上下、前后等三个方向堆积平面型燃料电池组而成，可提供大量电压。再加上平面型燃料电池体积小以及省空间的独特性，便可于最低成本下制做出提供大量电能以及省空间的堆叠型燃料电池组，以达到生产出重量轻、结构简单、便于组装且提供较多电压的燃料电池组的目的。
尽管本发明已由上述实施例详细叙述，而可由本领域技术人员加以各种变形和改型，然而皆不脱离所附权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种堆叠型燃料电池组，其利用流体燃料经电化学反应产生电能，且其中包括：
多个平面型燃料电池组，其包含：
两个燃料电池单元；
一流道板，其设于该两个燃料电池单元之间；以及
一卡合组件，其包含一第一部分与一第二部分，且分别设于该两个燃料电池单元外侧，并具有多个开口；
其中，该卡合组件的该第一部分与该第二部分相对称且得以互相组合，使该多个平面型燃料电池组得以利用该卡合组件而组合成堆叠型燃料电池组，且于两两平面型燃料电池组之间形成气流通道，以使该燃料电池单元得以利用该卡合组件的开口而与外部空气接触进行反应以产生该电能。
2.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池组，其中每一该燃料电池单元具有一网状金属导板与一膜电极组，该网状金属导板具有一第一网状区域与一第二网状区域，该膜电极组设置于该第二网状区域上。
3.如权利要求2所述的堆叠型燃料电池组，其中该网状金属导板由金属片冲压制成或由编织的金属网制成，而该膜电极组由阳极触媒电极、质子交换膜和阴极触媒电极组合而成，且其中每一该燃料电池单元的该膜电极组设置于该网状金属导板的该第二网状区域上，使该膜电极组的一第一表面与该第二网状区域的一第一表面接触。
4.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池组，其中该流道板具有一流体燃料入口与一流道，该流体燃料入口与该流道相通，以导入该流体燃料，而该流道板由塑料材质一体成型制成。
5.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池组，其中该堆叠型燃料电池组还包含一风扇、鼓风机或空气泵以及多个导风管，用以提供所需空气，以及利用该多个导风管控制空气流动的方向，以使空气得以通过全部气流通道。
6.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池组，其中该卡合组件的第一部分与卡合组件的第二部分包含卡勾片。
7.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池组，其中该卡合组件的第一部分与第二部分具有凹槽，且该卡合组件还包含一栓条，以利用该栓条与该第一部分的凹槽及第二部分的凹槽的配合卡合二平面型燃料电池组。
8.如权利要求7所述的堆叠型燃料电池组，其中该凹槽中具有孔洞，而该栓条上具有栓棒，以利用该凹槽中的孔洞与该栓条上的栓棒将二平面型燃料电池组卡合。
9.如权利要求1所述的堆叠型燃料电池组，其中还包含一联接模块，其设于该堆叠型燃料电池的底部，以将堆叠型燃料电池组所产生的电能联接起来。
10.如权利要求9所述的堆叠型燃料电池组，其中该联接模块还包含第一部分与第二部分，其中该第一部分设于二平面型燃料电池组之间的该气流通道下方，而第二部分则设于该平面型燃料电池组下方。
11.如权利要求10所述的堆叠型燃料电池组，其中该第一部分具有凸块，而该第二部分具有相对应的凹孔。
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